Definice
Ultrarychlý laser je typ ultraintenzivního ultrakrátkého pulzního laseru s šířkou pulzu menší nebo v rámci pico2nd úrovně (10-12s), která je definována na základě tvaru vlny výstupní energie. Tato definice souvisí s „ultrarychlými jevy“. Ultrarychlý jev označuje jev, ke kterému dochází ve fyzikálním, chemickém nebo biologickém procesu, který se rychle mění v mikroskopickém systému hmoty. V atomárním a molekulárním systému je časový rozsah pohybu atomů a molekul v řádu pikosekund až femtosekund. Například perioda molekulární rotace je v řádu pikosekund a perioda vibrací je v řádu femtosekund. Když šířka laserového pulsu dosáhne úrovně pico2nd nebo femtosekundy, může se do značné míry vyhnout vlivu na celkový tepelný pohyb molekul (tepelný pohyb molekul je mikroskopickou podstatou teploty hmoty) a materiál je generován na časové škále molekulární vibrace. Působit tak, že při dosažení účelu zpracování se značně sníží tepelný efekt.
Typ nemovitosti
Existuje mnoho klasifikačních metod pro lasery, mezi nimiž jsou 4 nejčastěji používané klasifikační metody, včetně klasifikace podle pracovní látky, klasifikace podle tvaru výstupní energie (pracovní režim), klasifikace podle výstupní vlnové délky (barvy) a klasifikace podle výkonu.
Mezi nimi, podle tvaru vlny výstupní energie, lze lasery rozdělit na kontinuální lasery, pulzní lasery a kvazikontinuální lasery:
Kontinuální laser
Jde o laser, který během pracovní doby nepřetržitě vydává stabilní průběhy energie. Vyznačuje se vysokým výkonem a dokáže zpracovávat materiály s velkým objemem a vysokým bodem tání, jako jsou kovové desky.
Pulzní laser
Vydává energii ve formě impulsů. Podle šířky pulzu jej lze dále rozdělit na mili2nd lasery, micro2nd lasery, nano2nd vypínací zařízení, pico2nd lasery, femto2nd lasery a atto2nd lasery; například pulzní laser Šířka pulzu výstupního laseru je mezi 1-1000ns, čemuž říkáme nano2nd lasery a tak dále. Říkáme pico2nd lasery, femto2nd lasery, atto2nd lasery a ultrarychlé lasery. Výkon pulzního laseru je mnohem nižší než u kontinuálního laseru, ale přesnost zpracování je vyšší než u kontinuálního laseru a obecně platí, že čím užší je šířka pulzu, tím vyšší je přesnost zpracování.
Kvazi-CW laser
Dokáže opakovaně vydávat relativně vysokoenergetický laser v určitém období a teoreticky jde také o pulzní laser.
Výstupní křivky energie výše uvedených 3 laserů lze také popsat parametrem "pracovní cyklus". U laseru lze pracovní cyklus interpretovat jako poměr doby výstupu energie laseru k celkovému času v rámci pulzního cyklu.
Pracovní cyklus CW laseru (=1) > pracovní cyklus kvazi-CW laseru > pracovní cyklus pulzního laseru. Obecně platí, že čím užší je šířka pulzu pulzního laseru, tím nižší je pracovní cyklus.
V oblasti zpracování materiálů byly pulzní lasery zpočátku přechodným produktem kontinuálních laserů. Výstupní výkon kontinuálních laserů totiž nemůže být příliš vysoký vlivem faktorů, jako je nosnost součástí jádra a úroveň technologie v rané fázi, a materiál nelze zahřát na bod tání. Výše uvedeným je dosaženo účelu zpracování. Pokud se určitými technickými prostředky soustředí výstupní energie laseru do jediného pulzu, takže se sice celkový výkon laseru nemění, ale okamžitý výkon v okamžiku pulzu se značně zvýší, což vyhovuje požadavkům zpracování materiálu. Později postupně dozrávala kontinuální laserová technologie a zjistilo se, že pulzní laser má velkou výhodu v přesnosti zpracování. Je to proto, že tepelný účinek pulzního laseru na materiály je menší a čím užší je šířka laserového pulzu, tím menší je tepelný účinek a čím hladší je hrana zpracovávaného materiálu, odpovídající přesnost obrábění je vyšší.
Komponenty
2 základní požadavky ultrarychlých laserů: vysoká stabilita ultrakrátkého pulzu a vysoká energie pulzu. Obecně lze ultrakrátké pulzy získat pomocí technologie uzamčení režimu a vysokou energii pulzu lze získat pomocí technologie zesílení CPA. Mezi hlavní komponenty patří oscilátory, roztahovače, zesilovače a kompresory. Mezi nimi jsou technologie oscilátoru a zesilovače nejobtížnější a jsou také základní technologií společnosti vyrábějící ultrarychlé lasery.
Oscilátor
V oscilátoru se ultrarychlé laserové pulsy získávají pomocí techniky uzamčení režimu.
Nosítka
Nosítka roztahují pulsy femto2nd semene od sebe v čase různými vlnovými délkami.
Zesilovač
K plnému nabuzení tohoto nataženého pulzu se používá cvrlikání zesilovače.
Kompresor
Kompresor spojuje zesílená spektra různých komponent a obnovuje je na femto2nd šířku, čímž vytváří femto2nd laserové pulsy s extrémně vysokým okamžitým výkonem.
Aplikace
Ve srovnání s lasery nano2nd a milli2nd, ačkoli je celkový výkon ultrarychlých laserů nižší, protože přímo působí na časové měřítko molekulárních vibrací materiálu, realizuje „studené zpracování“ v pravém slova smyslu, takže přesnost zpracování je výrazně zlepšena.
Vzhledem k různým charakteristikám mají vysoce výkonné kontinuální lasery, neultrarychlé pulzní lasery a ultrarychlé lasery velké rozdíly v následujících aplikačních oblastech:
Vysoce výkonné kontinuální lasery (a kvazi kontinuální lasery) se používají pro řezání, slinování, svařování, povrchové obklady, vrtání, 3D potisk kovových materiálů.
Neultrarychlé pulzní lasery se používají pro značení nekovových materiálů, zpracování křemíkových materiálů, přesné gravírování kovových povrchů, čištění kovových povrchů, přesné svařování kovů, mikroobrábění kovů.
Ultrarychlé lasery se používají pro řezání a svařování průhledných materiálů jako je sklo, PET a safír a tvrdých a křehkých materiálů, přesné značení, oční chirurgie, mikroskopická pasivace a leptání materiálů.
Z hlediska použití nemají vysoce výkonné CW lasery a ultrarychlé lasery téměř žádný vzájemný substituční vztah. Jsou jako sekery a pinzety a jejich velikosti mají své výhody a nevýhody. Následné aplikace neultrarychlých pulzních laserů se do určité míry překrývají s kontinuálními lasery a ultrarychlými lasery. Ze skutečných výsledků vyplývá, že při stejné aplikaci není jeho výkon tak dobrý jako u kontinuálních laserů a jeho přesnost není tak dobrá jako u ultrarychlých laserů. Tím výraznější je nákladová výkonnost.
Zejména ultrafialový laser nano2nd, ačkoli jeho šířka pulzu nedosahuje úrovně pico2nd, ale přesnost zpracování je výrazně zlepšena ve srovnání s jinými barevnými lasery nano2nd, je široce používán při zpracování a výrobě produktů 3C. V budoucnu, jak budou náklady na ultrarychlé lasery klesat, mohou obsadit nano2nd ultrafialový trh.
Ultrarychlé lasery realizují zpracování za studena v pravém slova smyslu a mají významné výhody v přesném zpracování. Jak výrobní technologie ultrarychlých laserů postupně dospívá, náklady postupně klesají. V budoucnu se očekává, že bude široce používán v lékařské biologii, letectví, spotřební elektronice, světelných displejích, energetickém prostředí, přesných strojích a dalších navazujících odvětvích.
Lékařská kosmetika
Ultrarychlé lasery lze použít v lékařských očních chirurgických zařízeních a kosmetických zařízeních. Femto2nd laser se používá v chirurgii krátkozrakosti a je známý jako "další revoluce v refrakční chirurgii" po technologii wavefront aberace. Oční osa myopických pacientů je větší než normální oční osa, takže ve stavu relaxace oční bulvy dopadá ohnisko paralelních světelných paprsků po lomu refrakčním systémem oka před sítnici. Laserová operace Femto2nd dokáže odstranit přebytečný sval v axiálním rozměru a obnovit osovou vzdálenost do normálu. Laserová operace Femto2nd má výhody vysoké přesnosti, vysoké bezpečnosti, vysoké stability, krátké doby operace a vysokého komfortu a stala se jednou z nejběžnějších metod chirurgie krátkozrakosti.
Pokud jde o krásu, ultrarychlé lasery lze použít k odstranění pigmentu a nativních znamének, odstranění tetování a zlepšení stárnutí pokožky.
Consumer Electronics
Ultrarychlé lasery jsou vhodné pro zpracování tvrdých a křehkých průhledných materiálů, zpracování tenkých vrstev, přesné značení atd. ve výrobním procesu spotřební elektroniky. Tvrzené sklo a safír pro mobilní telefony jsou reprezentativní tvrdé, křehké a průhledné materiály v surovinách spotřební elektroniky, zejména safír, vzhledem k jeho vysoké tvrdosti a vysoké křehkosti je účinnost a výtěžnost tradičních metod obrábění velmi nízká; safír je nyní široce používán Je široce používán v chytrých hodinkách, krytech fotoaparátů mobilních telefonů, krytech modulů otisků prstů atd.; nano2nd ultrafialový laser a ultrarychlý laser jsou v současnosti hlavními technickými prostředky pro řezání safíru a efekt zpracování ultrarychlého laseru je lepší než ultrafialového nano2nd laseru. Kromě toho jsou způsoby zpracování používané moduly kamer a moduly otisků prstů hlavně lasery nano2nd a pico2nd. Pro řezání flexibilních obrazovek mobilních telefonů (skládacích obrazovek) a příslušných 3D vrtání skla v budoucnu budou hlavní technologií s největší pravděpodobností ultrarychlé lasery.
Ultrarychlé lasery mají také důležité aplikace při výrobě panelů. Ultrarychlé lasery lze použít pro řezání OLED polarizátorů, loupání a opravy při výrobě LCD/OLED.
U OLED jsou jeho polymerní materiály zvláště citlivé na tepelné vlivy. Kromě toho je velikost a rozmístění buněk, které se v současné době vyrábí, velmi malé a zbývající velikost zpracování je také velmi malá. Tradiční proces vysekávání jako dříve již dnes nevyhovuje. Výrobní potřeby průmyslu a nyní existují aplikační požadavky na speciálně tvarované zástěny a perforované zástěny, které jsou mimo možnosti tradičních řemesel. Tímto způsobem se projevují výhody ultrarychlých laserů, zejména pico2nd ultrafialových nebo dokonce femto2nd laserů, které mají malou tepelně ovlivněnou zónu a jsou vhodnější pro flexibilnější aplikace jako je zpracování křivek.
Mikrosvařování
U transparentních pevných médií, jako je sklo, dojde při šíření ultrakrátkého pulzního laseru v médiu k různým jevům, jako je nelineární absorpce, poškození tavením, tvorba plazmy, ablace a šíření vláken. Obrázek ukazuje různé jevy, ke kterým dochází při interakci mezi ultrakrátkým pulzním laserem a pevným materiálem při různých hustotách výkonu a časových měřítcích.
Protože technologie mikrosvařování laserem s ultrakrátkým pulzem nepotřebuje vkládat mezivrstvu, má vysokou účinnost, vysokou přesnost, nemá makroskopický tepelný efekt a má relativně ideální mechanické a optické vlastnosti po zpracování mikrosvarem, je velmi vhodná pro mikrosvařování průhledných materiálů, jako je sklo. Výzkumníci například úspěšně přivařili koncové kryty ke standardním a mikrostrukturovaným optickým vláknům pomocí pulsů 70 fs, 250 kHz.
Osvětlení displeje
Aplikace ultrarychlých laserů v oblasti osvětlení displejů se týká především rýhování a řezání LED waferů. Toto je další příklad ultrarychlých laserů vhodných pro zpracování tvrdých a křehkých materiálů. Ultrarychlé laserové zpracování má vysokou rovinnost průřezu a výrazně snížené vylamování hran. Účinnost a přesnost se výrazně zlepšila.
Fotovoltaická energie
Ultrarychlé lasery mají široký aplikační prostor při výrobě fotovoltaických článků. Například při výrobě tenkovrstvých baterií CIGS dokážou ultrarychlé lasery nahradit původní proces mechanického rýhování a výrazně zlepšit kvalitu rýhování, zejména u rýhovacích článků P2 a P3, které nedokážou dosáhnout téměř žádného vylamování a žádných trhlin a zbytkového napětí. .
Letecký a vesmírný průmysl
Aby se zlepšil výkon a životnost lopatek turbíny a následně i výkon motoru, je nutné přijmout technologii chlazení vzduchovým filmem, která klade extrémně vysoké požadavky na technologii zpracování otvorů vzduchového filmu. V roce 2018 vyvinul Xi'anský institut optiky a mechaniky nejvyšší energii jednoho pulzu v Číně. 26wattový průmyslový femto2nd vláknový laser a vyvinutá řada ultrarychlých laserových extrémních výrobních zařízení dosáhla průlomu ve „studeném zpracování“ otvorů vzduchového filmu v lopatkách leteckých turbín a vyplnila mezeru v domácnostech. Tato metoda zpracování je pokročilejší než EDM Přesnost metody je vyšší a výtěžnost je výrazně zlepšena.
Ultrarychlé lasery lze také aplikovat na přesné obrábění kompozitních materiálů vyztužených vlákny a zlepšení přesnosti obrábění pomůže rozšířit použití kompozitních materiálů, jako jsou uhlíková vlákna, v letectví a v dalších špičkových oborech.
Výzkumné pole
2-fotonová polymerační technologie (2PP) je "nanooptická" 3D tisková metoda, podobná technologii rychlého prototypování vytvrzovanou světlem, a futurista Christopher Barnatt věří, že se tato technologie může stát běžnou formou 3D tisk v budoucnu. Principem technologie 2-fotonové polymerace je selektivní vytvrzení fotosenzitivní pryskyřice pomocí "femto2nd pulse laser". Zní to jako rychlé prototypování fotovytvrzováním, rozdíl je v tom, že minimální tloušťka vrstvy a rozlišení osy XY, kterých může dosáhnout technologie 2fotonové polymerace, jsou mezi 100 nm a 200 nm. Jinými slovy, 2PP 3D technologie tisku je stokrát přesnější než tradiční technologie vytvrzování světlem a vytištěné věci jsou menší než bakterie.
V současné době je cena ultrarychlých laserů stále poměrně drahá. Jako průkopník v oboru, STYLECNC již vyrábí ultrarychlá zařízení pro laserové zpracování a dosáhla dobré zpětné vazby na trhu. Přesné laserové řezací zařízení pro moduly OLED založené na ultrarychlé laserové technologii, ultrarychlé (pikosekundové/femtosekundové) laserové značkovací zařízení, laserové zařízení na zkosení hran skla pro pico2nd infračervené obrazovky a pico2nd infračervené skleněné destičky bylo spuštěno laserové řezací zařízení, LED automatický neviditelný kostkovací stroj, polovodičový plátek Laserový řezací stroj, zařízení na řezání skleněných krytů pro moduly identifikace otisků prstů, flexibilní linky na velkosériovou výrobu displejů a řadu ultrarychlých laserových produktů.
Klady a zápory
Klady
Ultrarychlý laser je jedním z důležitých směrů vývoje v oblasti laserů. Jako nová technologie má významné výhody v přesném mikroobrábění. Ultrakrátký puls generovaný ultrarychlým laserem interaguje s materiálem po velmi krátkou dobu a nepřinese teplo do okolních materiálů, takže ultrarychlé laserové zpracování se také nazývá zpracování za studena. Je to proto, že když šířka laserového pulsu dosáhne pico2nd nebo femto2nd úrovně, vlivu na molekulární tepelný pohyb lze do značné míry zabránit, což má za následek menší tepelný vliv.
Když například krájíme konzervovaná vejce tupým kuchyňským nožem, často krájíme konzervovaná vejce na jemné kousky. Pokud zvolíte způsob krájení s obzvláště ostrým ostřím nože, který rychle ořízne nepořádek, budou konzervovaná vejce nakrájena rovnoměrně a krásně. To je výhoda superrychlosti.
Nevýhody
Špičková zpracovatelská odvětví, jako jsou integrované obvody a panely, mají extrémně vysoké požadavky na zařízení pro laserové zpracování a existuje riziko, že technologické průlomy nesplní očekávání.
Cena ultrarychlých laserů je vysoká a přechod k novému dodavateli laserů s sebou nese riziko, že nebude možné rozšířit trh, jak se očekávalo jak pro výrobce laserových zařízení, tak pro ty nejnáslednější uživatele.
